Elektronenstrahlschweißen

Schmelzschweißen: Ein Elektronenstrahl im Vakuum verschweißt sehr dickes Metall

Das Elektronenstrahlschweißen schmilzt die Fuge mit einem gebündelten Strom von Elektronen, die in einer Vakuumkammer mit hoher Geschwindigkeit abgeschossen werden. Es erzeugt die tiefsten, schmalsten und saubersten Schmelznähte überhaupt, in einem Durchgang durch Stahl von mehr als 10 cm Dicke. Flugzeugtriebwerke, Raketenteile und Teilchenbeschleuniger verlassen sich darauf.

Foto: Zobac, CC0, via Wikimedia Commons

Elektronenstrahlschweißen · Kanone, Strahl und Dampfkapillare in einer VakuumkammerDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; folgen Sie dem Strahl vom oberen Ende der Kanone bis zum Teil.

So funktioniert es

Die Elektronen freisetzen. Eine Wolframkathode (die Minuselektrode) wird erhitzt, bis sie Elektronen abgibt, ähnlich dem Glühfaden einer alten Glühbirne.
Sie beschleunigen. Eine Hochspannung, meist etwa 30–150 kV, zieht die Elektronen durch ein Loch in der Anode (der Plusplatte). Sie verlassen sie mit einem großen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit.
Fokussieren und lenken. Magnetspulen wirken als Linsen: Sie pressen den Strahl auf einen Fleck von deutlich unter einem Millimeter und können ihn pendeln lassen, um die Naht zu formen.
Auf die Fuge treffen. Treffen die Elektronen auf das Metall, wird ihre Bewegungsenergie fast augenblicklich zu Wärme. Das Vakuum (Luftdruck etwa ein Millionstel des normalen oder weniger) verhindert, dass Luftmoleküle den Strahl streuen.
Eine Dampfkapillare bohren. Wie beim Laserschweißen schmilzt das Metall und verdampft teilweise, wodurch sich ein schmaler Dampfkanal öffnet, der durch die ganze Dicke reicht.
Bewegen und erstarren. Der Tisch bewegt das Teil unter dem feststehenden Strahl. Hinter der Dampfkapillare schließt sich die Schmelze und erstarrt zu einer Naht, die etwa 20-mal tiefer als breit sein kann.

Warum das Vakuum wichtig ist. Es ist zugleich Stärke und Schwäche. Keine Luft bedeutet keine Oxidation und kein Schutzgas, was zu reaktiven Metallen wie Titan passt. Aber jede Charge muss warten, während die Kammer abgepumpt wird, oft mehrere Minuten.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Stähle, Edelstahl, Titan, Nickelsuperlegierungen, Kupfer, Refraktärmetalle wie Niob und Tantal; viele verschiedenartige Paarungen
Typische Teile: Rotoren und Zahnräder von Strahltriebwerken, Raketen- und Satellitenteile, Getriebezahnräder, Beschleunigerkavitäten, Kernkraftkomponenten
Bauteilgröße: Von winzigen Sensoren bis zu mehrere Meter langen Teilen; die Kammer setzt die Grenze
Präzision: Sehr geringer Verzug; Teile lassen sich oft nahe der Endmaße schweißen, innerhalb von etwa ±0,1 mm
Oberfläche: Schmale, glatte Naht auf beiden Seiten bei voller Durchschweißung; wenig oder keine Spritzer
Geeignete Losgröße: Kleine bis mittlere Serien hochwertiger Teile; manche Getriebewerke setzen es in großen Stückzahlen ein
Werkzeug- und Maschinenkosten: Grob einige hunderttausend bis einige Millionen Dollar, plus Vorrichtungen
Geschwindigkeit: Schnelles Schweißen, oft etwa 1 m pro Minute, aber Minuten zum Abpumpen für jede Kammerladung

Stärken und Grenzen

Stärken

Die tiefsten Einlagennähte aller Verfahren
Sehr schmale Naht, daher wenig Verzug
Das Vakuum hält reaktive Metalle vollkommen sauber
Verbindet schwer schweißbare und verschiedenartige Metalle

Grenzen

Braucht eine Vakuumkammer, die die Teilegröße begrenzt und Abpumpzeit hinzufügt
Sehr teure Maschinen und geschultes Personal
Erzeugt Röntgenstrahlung, daher muss die Kammer abgeschirmt sein
Teile müssen eng anliegen und entmagnetisiert sein, sonst driftet der Strahl

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtVerdichterrotoren von Strahltriebwerken, Titanstrukturen, Raketendüsen
RaumfahrtTreibstofftanks und Triebwerksteile von Satelliten
AutomobilbauGetriebezahnräder und Zahnradgruppen
Wissenschaft und EnergieKavitäten von Teilchenbeschleunigern, Teile von Kernreaktoren
Medizin und ElektronikSensoren und dichte Gerätegehäuse

So erkennen Sie es

Eine extrem schmale, gerade Naht, oft unter 1–2 mm breit, selbst bei dicken Teilen.
Dieselbe dünne Naht auch auf der Rückseite sichtbar (volle Durchschweißung).
Helles, oxidfreies Metall neben der Naht, ohne Anlauffarben, selbst bei Titan.

Im Vergleich mit

Laserschweißen7.4dieselbe Dampfkapillar-Idee mit Licht statt Elektronen; es funktioniert an freier Luft, reicht aber weniger tief.Lichtbogenschweißen7.1dicke Platten brauchen eine Fugenvorbereitung und viele Lagen, was Wärme und Verzug hinzufügt, die das Elektronenstrahlschweißen vermeidet.Rührreibschweißen7.6eine weitere Möglichkeit für hochwertige Nähte, aber ohne Schmelzen und nur bei weicheren Metallen wie Aluminium.

Ansehen

Cambridge Vacuum Engineering · Die Kanone, der Strahl und die Dampfkapillare, animiert

Aluminium Guide Videos · Ein Überblick über das Verfahren in einfacher Sprache

TWI Ltd · Echte Maschinen und Kammern in einem Forschungslabor

TWI Ltd · Wie sehr große Teile in riesige Vakuumkammern passen

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Elektronenstrahlschweißen — Prinzip, Diagramme von Kanone und Kammer, mit Links zu Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Mit hoher Spannung abgeschossene Elektronen tragen so viel Energie, dass sie eine Dampfkapillare durch sehr dickes Metall öffnen.
Das Vakuum hält den Strahl gebündelt und die Naht vollkommen sauber.
Es liefert die tiefsten, schmalsten Nähte, zum Preis einer Kammer, Abpumpzeit und hoher Kosten.